大跨度钢筋混凝土拱桥拱架监测与模型对比分析
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科
市政 与路桥 ｌ１ Ｉｌ
李荣建 刘 山洪
大跨度钢筋混凝土拱桥拱架监测与模型对比分析
（ 重庆交通大学 ， 重庆 ４ ０７ ） ０ ０ ４
摘 要： 本文结合上大岩 ２ 号大桥主拱圈混凝土浇 注过程 中施 工的关键环 节， 针对主拱 圈不 同施工 工序 ， 进行 了数值模拟分析及 实桥测试 ， 分 析 了两者结果不相吻合的原 因， 主要是由于分环 、 分段 施工拱桥 时， 先期 形成的拱环 与拱架之 间存在联合作 用， 续施工的荷栽 由已成拱环和拱 架 后
一
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负 ， 从 担 使得 实测结果 小于计算值。对于大跨 径拱桥拱架设计时－ｆ 用这一点 来达到节省材料具有重要意义。 ｑ ．９ －
关键词 ： 施工工序 ； 钢拱 架 ； 箱型拱 圈
ｌ 程 概 况 工 拱架 的 ０ １ 、，、，、 部位上下 弦处 ，共 １ 环与拱 架之间存在联合作用， 、／ １ ３ １ ４ ２ ４ ０ 后续施 工的荷 载 上 大岩 ２ 号拱 桥位 于 四川省 省道 ３６线 支 ， ０ 上游至下游 ８ ５ １ 、 、 号拱架设有传感器。 拱架 由已成拱 环和拱架共同承担， 从而减轻 了拱架 汉源县三谷庄至 １８ ０ 国道 Ｋ ５ ４ ５ １ ， ７ ＋４ ． 处 该桥 挠度标尺的设置 ： ４ 分别在 ｌ ８ 、 号拱片的 Ｏ １ 、 的负担 。大跨径拱桥拱架设计时可利用这一点 、， ４ ，３ １ ２ ４ 为～孑 ｍ钢筋混凝土现浇板 拱桥 ， Ｌ０ ７ 共轴系数 １ 、，、 部位 的竖直 方 向上设 置最小 刻度为 来达到节省材料的 目的。 为 ２ ２， ． ４ 矢跨 比为 １ ， 顶 预拱度 ８ ｃ ， ２ ， 拱 ５ ． ｍ 按 １ ｍ的米 尺 ，并 使其 和拱 脚处 于同一水 平线 ５ ｍ ５３ ＿拱桥拱架施 工过程 中拱（ 环的内力变 圈） 化及应力 分布非 常复杂， 设计与施工 中必须根 二次抛物线分配 ， 比为的等截面悬链线拱 ， 上 。 矢跨 据拱 架结 构及施工 （ 筑 、 砌 浇筑） 工序 的实际情 拱 圈截面厚度 为 １ ｍ 拱 圈宽 度为 ９ ｍ 桥 面 ． ， ４ ． ， ０ ３ ． ２测试结果 施工 阶段划 分 ， 一阶段 ： 第 浇注完毕 拱圈 ０ 况， 符合实际 的结构行 为分析模 型， 建立 并适时 双向横坡为 ２ 桥 面横 向布置为 ：． （ ％。 Ｏ ｍ 左防护 ５ 至 １ 和 １ ３ 段 ； 二阶段 ： ， ４ 至 ， ４ 第 浇注完毕 拱圈 进行必要调整，以便事先掌握施工 中结构的受 栏 ）８ （ ＋ ｍ 路面净宽 ）Ｏ （ ＋． 右防护栏） ５ 。 ２ 拱架构件承载力计算 拱 顶段 ； 第三阶段 ： 浇注完毕拱圈 １ 至拱顶和 力 、 ， ４ 变形状态 ， 特别是最不利的受力工况与高应 ３ 至拱 顶 。 Ｍ 力区域。以确保施 工过程 中结构的安全和成桥 ２１主要 材料及设计荷载 ． 第一 阶段 完毕所 测得 拱架最 大压应 力 为 后结构必须具有 的安全度 。 本支架主要采用六 四式铁路军用梁。 有杆 件和节点钣全部是 ｌ 锰低 合金钢 钢材 主桁构 ８ ． ａ最大 拉应力 为 ０５ ＭＰ ； ６ ８ ＭＰ ， ６ ． ａ最大 累计下 参考文献 １范 桥 ＭＩ 北 人 件都 是全焊结 构 。主要焊 接材 料采用 型号为 沉量发生在拱顶处 ，靠 山侧 ４ ． ｍ 靠 河侧 【】 立 楚 ． 梁 工 程 【 ． 京 ： 民 交 通 出版 社 ， ８ ３ ｍ， ９ ９ ８ Ｔ０ ５７的手工电弧焊 用 电焊 条 （ 符合 国家标准 ４ ． ｍ １ ２ ｍ。第 二阶段完毕所测得拱架最大压应 １ ８ ． ９ ９ ６ ＭＰ ， ０ ． Ｍ ａ 最大 累 【 王丽 荣． 梁Ｊ ￣ｉ ］ ３ ２ 】 桥 － Ｍ． 北京 ： 中国建材 工业 出 Ｇ ８—７ ， Ｂ ９ １ ６ ） 目前主要采用 的牌号是上焊一 １ 力 ９ ． ａ 最大压应力 为 ７ Ｐ ； ４。 ２０ 主桁节点联结件 （ 钢销和撑杆销 栓 ） 采用 ３ 硅 计下沉量发生在拱顶处 ， ５ 靠山侧 ６ ． ｒ ， ４ ２ ｍ 靠河 版社 ．０ ５． ３ａ 锰合金结构钢 ， 并经调质处理 。 侧 ５． ｍ ８ ９ ｍ。第三阶段完 毕所测得拱架最大压 【］－ 槐 ． 工拱 桥 【 ■ｂ ： 民 交通 出 版社 ， ８ ３Ｙ￣ 污 Ｍ】 京 人 ９８． ２２支架验算 ． 应力为 １６ Ｐ ， ０ ． Ｍ ａ 最大拉应力为 ３ Ｐ ； ７ ． Ｍ ａ最 １ ８ ３ ３ 石拱桥施 Ｘ ［ ． －Ｍ］ 北京： 民 交通 出版 人 施 工阶段 的划分 ， 第一 阶段 ： 支架 自重加 大累计下 沉量发 生在拱 顶处 ， 山侧 ６． ｒ ， 『１ 崇安． 靠 １ ８ ｍ ４戴 ７ａ ９ ６ ｍ。 ５ 第一 社 ．９ ２ １８ ． 第 ｌ 主拱圈及部分模板重； 二阶段 ： 段 第 支架 自 靠河侧 ５ ． ｍ 主拱 圈拱轴线监测结果 ： ａ ｒ 第二阶段其 『］ Ｊ４ 一 ０ ０ 公 路 桥 涵 施 工技 术规 范 Ｉ１ ６， ０ ￣２ ０ ， ｌ Ｔ Ｓ． 重加第 １ ２ ～ 段主拱圈及部分模板重； 第三阶段 ： 阶段拱顶附近 向上 游偏 离约 ４ ｍ， 支架 自 重加第 １３ ～ 段主拱圈及部分模板重 。 向上游偏离约 ６ ｍ， ａ ｒ 第三 阶段其 向上游 偏离约 作者简介 ： 李荣建（９ ３ ３ ） 男， １ ８ ，～ ， 硕士研 究 ｍｍｏ 生 阶段反力 ， 片支架单个 支撑点引起拱 ５ 每 座反力值 ：ｘ－ ． ｘ ０ Ｆ＝ ２６ １ ￣Ｎ， ３ １ ｌ Ｎ方向 ４ Ｆ ． ｘＯ ９ ４ 拱圈监测结果分析 ４１ ． 从应力监测结果 记录表可以看出 ， 浇注 向上 ； 一阶段位移 ， 横向最大位移 Ｓ＝ ． ４ １— ｘ１ ３ｘ０ ２ ２， ｒ 竖向最大位移 ｓ ２ ｌ ｘ ０ ｎ一 阶段应力 ， 完 毕拱圈 Ｏ １ ｎ ｚ ． ｌｌ－ ； ＝ ３ Ｓ 至 ／ １ ３ 段所测得拱架 最 ４和 至 ／ ４ 最 大压应力 ＝ ． ０ ｌ ｌ５ｋ ／ ， １２ ５ ｘ ｏ Ｎｍ：最大拉应 大压应力为 ８ ． Ｍ ａ 最大拉应力为 ０ ａ ５ ８ Ｐ， ６ ． ＭＰ ， ５ 力 盯拉 １ ８７ × ０ Ｎ ｍ ｏ ＝ ． ７ ７ １ ｋ ， ２ ２ 压应力远远大于拉应力 ， 整个拱架基本上处 于 同理第 二阶段 每片支架 单个支撑 点引起 受压状态 ， 局部杆件受拉 ， 且压应力远远 大于拉 拱座 反力 值 ：ｘ５ １ ｌ￣ ，ｚ５ ９ １ ； Ｆ＝ ． ｘ ０ Ｎ Ｆ＝ ． ｘ ０ Ｎ 横 应力 ， ６ ２ 单均小于钢材的容许应力 。 向最大位移 Ｓ＝ ． ４ １ ， 向最大位 移 Ｓ＝ 】７ １ ｘ ０ ｍ 竖 【 ２ ｚ ４ 第２ ２ 号拱 片 Ｏ 分点 下弦在正个拱架 中 ２３７ １－ ．４ ｘ ０ｚ ｍ；最大压应力 ＝ ． ３ ｘ Ｎ／ 受力最大 ， ３阶段压应力为 １６７ ＭＰ ， １ ０ ８ ｌ５ｋ ４ ｏ 第 ０． ａ但远 ｍ， ２ 最大拉应力 ｊ １ ５ ２ ｌ５ Ｎ ｍ。 盘 ． ６ｘ０ ｋ ／ ＝２ 小于钢材的容许应力 。 三阶段 每片支架 单个支 撑点 引起拱座 反 ４３ 挠度监测结果记录表可以看 出， ．从 浇注 力值 ： ｘ１ ８ ｘ ＠ Ｎ Ｆ： ． ｘ ０ Ｎ Ｆ＝ ． １ ｌ ｋ ，ｚ８ ５ ｌＺ ；横 向最 完毕拱圈 １４至拱顶 和 ３４至拱顶段 ， １ ９ ｋ ／ ， 最大 累计 大 位 移 Ｓ ＝ ．７ ￣ ０３ ８９ ９ １ － ｍ，竖 向最 大位 移 Ｓ＝ 下沉量发生在拱顶处 ， 山侧 ４ ． ｒ 靠河侧 ｚ 靠 ８ ３ ｍ， ９ａ ３７４ １－ ．８ ｘ ０￣ ｍ；最 大压应力 ＝ ．８ ７ Ｉ ｋ ／ ４ ． ｒｍ， 小于拱架 的预拱度 ８ｍ。 ２２ ６ ｘ Ｎ １ ２ ９ａ 均 ｃ ｍ， 最大拉应力 ＝ ．８ ４ ｌ５ｋ ／ １ １ｘ Ｎｍ 。易得各 ０ ０ ４４主 拱圈拱轴线 向上游发生 了微小 的偏 ． 阶段拱架满足要求 ， 本计算将所有荷载中的 １ 移 ， ／ ８ 小于规范最大偏移量 。 ５结论 简化等效后 ， 加到一 片拱支架上 ， 施 没有考虑吊 扣体 系的作用。 桥梁施工过程跟踪测试测得的主拱圈主要 ３现场监 测 截 面受力值与计算值的比较 ，虽然 ２ 者不 完全 拱桥 的施工监 控测量就 是根据 所测得 的 吻合， 但在总体上是一致 的。 存在差别的主要 原 数据 ， 对其进行全面的分析 ， 以此作为指导 当前 因在 于： 间结 构体 系， 成结构 的几 何尺寸 、 空 形 施工的主要依据 ，以及对后续拱圈施工状况进 材料连接件等存 在先 天的缺陷 ，导致理论模拟 行预测 ， 保证整个施工过程达到预期 目标 。 拱圈 与实际出入较 大；实桥测试受到的影 响真实性 施工监测的主要 内容有 ： 拱架的挠度、 应力 以及 的因 素 更 多 。 拱轴线的测量 。 ５ 钢筋混凝 土箱 型主拱 圈施 工工序与模 ． １ ３１ ．测点的布置 型试验有很大差别 。 传感器安置 ： 将传感器分别布 置在一 片钢 ５ 分环、 ． ２ 分段施工 拱桥时 ， 先期形 成的拱
市政 与路桥 ｌ１ Ｉｌ
李荣建 刘 山洪
大跨度钢筋混凝土拱桥拱架监测与模型对比分析
（ 重庆交通大学 ， 重庆 ４ ０７ ） ０ ０ ４
摘 要： 本文结合上大岩 ２ 号大桥主拱圈混凝土浇 注过程 中施 工的关键环 节， 针对主拱 圈不 同施工 工序 ， 进行 了数值模拟分析及 实桥测试 ， 分 析 了两者结果不相吻合的原 因， 主要是由于分环 、 分段 施工拱桥 时， 先期 形成的拱环 与拱架之 间存在联合作 用， 续施工的荷栽 由已成拱环和拱 架 后
一
一
负 ， 从 担 使得 实测结果 小于计算值。对于大跨 径拱桥拱架设计时－ｆ 用这一点 来达到节省材料具有重要意义。 ｑ ．９ －
关键词 ： 施工工序 ； 钢拱 架 ； 箱型拱 圈
ｌ 程 概 况 工 拱架 的 ０ １ 、，、，、 部位上下 弦处 ，共 １ 环与拱 架之间存在联合作用， 、／ １ ３ １ ４ ２ ４ ０ 后续施 工的荷 载 上 大岩 ２ 号拱 桥位 于 四川省 省道 ３６线 支 ， ０ 上游至下游 ８ ５ １ 、 、 号拱架设有传感器。 拱架 由已成拱 环和拱架共同承担， 从而减轻 了拱架 汉源县三谷庄至 １８ ０ 国道 Ｋ ５ ４ ５ １ ， ７ ＋４ ． 处 该桥 挠度标尺的设置 ： ４ 分别在 ｌ ８ 、 号拱片的 Ｏ １ 、 的负担 。大跨径拱桥拱架设计时可利用这一点 、， ４ ，３ １ ２ ４ 为～孑 ｍ钢筋混凝土现浇板 拱桥 ， Ｌ０ ７ 共轴系数 １ 、，、 部位 的竖直 方 向上设 置最小 刻度为 来达到节省材料的 目的。 为 ２ ２， ． ４ 矢跨 比为 １ ， 顶 预拱度 ８ ｃ ， ２ ， 拱 ５ ． ｍ 按 １ ｍ的米 尺 ，并 使其 和拱 脚处 于同一水 平线 ５ ｍ ５３ ＿拱桥拱架施 工过程 中拱（ 环的内力变 圈） 化及应力 分布非 常复杂， 设计与施工 中必须根 二次抛物线分配 ， 比为的等截面悬链线拱 ， 上 。 矢跨 据拱 架结 构及施工 （ 筑 、 砌 浇筑） 工序 的实际情 拱 圈截面厚度 为 １ ｍ 拱 圈宽 度为 ９ ｍ 桥 面 ． ， ４ ． ， ０ ３ ． ２测试结果 施工 阶段划 分 ， 一阶段 ： 第 浇注完毕 拱圈 ０ 况， 符合实际 的结构行 为分析模 型， 建立 并适时 双向横坡为 ２ 桥 面横 向布置为 ：． （ ％。 Ｏ ｍ 左防护 ５ 至 １ 和 １ ３ 段 ； 二阶段 ： ， ４ 至 ， ４ 第 浇注完毕 拱圈 进行必要调整，以便事先掌握施工 中结构的受 栏 ）８ （ ＋ ｍ 路面净宽 ）Ｏ （ ＋． 右防护栏） ５ 。 ２ 拱架构件承载力计算 拱 顶段 ； 第三阶段 ： 浇注完毕拱圈 １ 至拱顶和 力 、 ， ４ 变形状态 ， 特别是最不利的受力工况与高应 ３ 至拱 顶 。 Ｍ 力区域。以确保施 工过程 中结构的安全和成桥 ２１主要 材料及设计荷载 ． 第一 阶段 完毕所 测得 拱架最 大压应 力 为 后结构必须具有 的安全度 。 本支架主要采用六 四式铁路军用梁。 有杆 件和节点钣全部是 ｌ 锰低 合金钢 钢材 主桁构 ８ ． ａ最大 拉应力 为 ０５ ＭＰ ； ６ ８ ＭＰ ， ６ ． ａ最大 累计下 参考文献 １范 桥 ＭＩ 北 人 件都 是全焊结 构 。主要焊 接材 料采用 型号为 沉量发生在拱顶处 ，靠 山侧 ４ ． ｍ 靠 河侧 【】 立 楚 ． 梁 工 程 【 ． 京 ： 民 交 通 出版 社 ， ８ ３ ｍ， ９ ９ ８ Ｔ０ ５７的手工电弧焊 用 电焊 条 （ 符合 国家标准 ４ ． ｍ １ ２ ｍ。第 二阶段完毕所测得拱架最大压应 １ ８ ． ９ ９ ６ ＭＰ ， ０ ． Ｍ ａ 最大 累 【 王丽 荣． 梁Ｊ ￣ｉ ］ ３ ２ 】 桥 － Ｍ． 北京 ： 中国建材 工业 出 Ｇ ８—７ ， Ｂ ９ １ ６ ） 目前主要采用 的牌号是上焊一 １ 力 ９ ． ａ 最大压应力 为 ７ Ｐ ； ４。 ２０ 主桁节点联结件 （ 钢销和撑杆销 栓 ） 采用 ３ 硅 计下沉量发生在拱顶处 ， ５ 靠山侧 ６ ． ｒ ， ４ ２ ｍ 靠河 版社 ．０ ５． ３ａ 锰合金结构钢 ， 并经调质处理 。 侧 ５． ｍ ８ ９ ｍ。第三阶段完 毕所测得拱架最大压 【］－ 槐 ． 工拱 桥 【 ■ｂ ： 民 交通 出 版社 ， ８ ３Ｙ￣ 污 Ｍ】 京 人 ９８． ２２支架验算 ． 应力为 １６ Ｐ ， ０ ． Ｍ ａ 最大拉应力为 ３ Ｐ ； ７ ． Ｍ ａ最 １ ８ ３ ３ 石拱桥施 Ｘ ［ ． －Ｍ］ 北京： 民 交通 出版 人 施 工阶段 的划分 ， 第一 阶段 ： 支架 自重加 大累计下 沉量发 生在拱 顶处 ， 山侧 ６． ｒ ， 『１ 崇安． 靠 １ ８ ｍ ４戴 ７ａ ９ ６ ｍ。 ５ 第一 社 ．９ ２ １８ ． 第 ｌ 主拱圈及部分模板重； 二阶段 ： 段 第 支架 自 靠河侧 ５ ． ｍ 主拱 圈拱轴线监测结果 ： ａ ｒ 第二阶段其 『］ Ｊ４ 一 ０ ０ 公 路 桥 涵 施 工技 术规 范 Ｉ１ ６， ０ ￣２ ０ ， ｌ Ｔ Ｓ． 重加第 １ ２ ～ 段主拱圈及部分模板重； 第三阶段 ： 阶段拱顶附近 向上 游偏 离约 ４ ｍ， 支架 自 重加第 １３ ～ 段主拱圈及部分模板重 。 向上游偏离约 ６ ｍ， ａ ｒ 第三 阶段其 向上游 偏离约 作者简介 ： 李荣建（９ ３ ３ ） 男， １ ８ ，～ ， 硕士研 究 ｍｍｏ 生 阶段反力 ， 片支架单个 支撑点引起拱 ５ 每 座反力值 ：ｘ－ ． ｘ ０ Ｆ＝ ２６ １ ￣Ｎ， ３ １ ｌ Ｎ方向 ４ Ｆ ． ｘＯ ９ ４ 拱圈监测结果分析 ４１ ． 从应力监测结果 记录表可以看出 ， 浇注 向上 ； 一阶段位移 ， 横向最大位移 Ｓ＝ ． ４ １— ｘ１ ３ｘ０ ２ ２， ｒ 竖向最大位移 ｓ ２ ｌ ｘ ０ ｎ一 阶段应力 ， 完 毕拱圈 Ｏ １ ｎ ｚ ． ｌｌ－ ； ＝ ３ Ｓ 至 ／ １ ３ 段所测得拱架 最 ４和 至 ／ ４ 最 大压应力 ＝ ． ０ ｌ ｌ５ｋ ／ ， １２ ５ ｘ ｏ Ｎｍ：最大拉应 大压应力为 ８ ． Ｍ ａ 最大拉应力为 ０ ａ ５ ８ Ｐ， ６ ． ＭＰ ， ５ 力 盯拉 １ ８７ × ０ Ｎ ｍ ｏ ＝ ． ７ ７ １ ｋ ， ２ ２ 压应力远远大于拉应力 ， 整个拱架基本上处 于 同理第 二阶段 每片支架 单个支撑 点引起 受压状态 ， 局部杆件受拉 ， 且压应力远远 大于拉 拱座 反力 值 ：ｘ５ １ ｌ￣ ，ｚ５ ９ １ ； Ｆ＝ ． ｘ ０ Ｎ Ｆ＝ ． ｘ ０ Ｎ 横 应力 ， ６ ２ 单均小于钢材的容许应力 。 向最大位移 Ｓ＝ ． ４ １ ， 向最大位 移 Ｓ＝ 】７ １ ｘ ０ ｍ 竖 【 ２ ｚ ４ 第２ ２ 号拱 片 Ｏ 分点 下弦在正个拱架 中 ２３７ １－ ．４ ｘ ０ｚ ｍ；最大压应力 ＝ ． ３ ｘ Ｎ／ 受力最大 ， ３阶段压应力为 １６７ ＭＰ ， １ ０ ８ ｌ５ｋ ４ ｏ 第 ０． ａ但远 ｍ， ２ 最大拉应力 ｊ １ ５ ２ ｌ５ Ｎ ｍ。 盘 ． ６ｘ０ ｋ ／ ＝２ 小于钢材的容许应力 。 三阶段 每片支架 单个支 撑点 引起拱座 反 ４３ 挠度监测结果记录表可以看 出， ．从 浇注 力值 ： ｘ１ ８ ｘ ＠ Ｎ Ｆ： ． ｘ ０ Ｎ Ｆ＝ ． １ ｌ ｋ ，ｚ８ ５ ｌＺ ；横 向最 完毕拱圈 １４至拱顶 和 ３４至拱顶段 ， １ ９ ｋ ／ ， 最大 累计 大 位 移 Ｓ ＝ ．７ ￣ ０３ ８９ ９ １ － ｍ，竖 向最 大位 移 Ｓ＝ 下沉量发生在拱顶处 ， 山侧 ４ ． ｒ 靠河侧 ｚ 靠 ８ ３ ｍ， ９ａ ３７４ １－ ．８ ｘ ０￣ ｍ；最 大压应力 ＝ ．８ ７ Ｉ ｋ ／ ４ ． ｒｍ， 小于拱架 的预拱度 ８ｍ。 ２２ ６ ｘ Ｎ １ ２ ９ａ 均 ｃ ｍ， 最大拉应力 ＝ ．８ ４ ｌ５ｋ ／ １ １ｘ Ｎｍ 。易得各 ０ ０ ４４主 拱圈拱轴线 向上游发生 了微小 的偏 ． 阶段拱架满足要求 ， 本计算将所有荷载中的 １ 移 ， ／ ８ 小于规范最大偏移量 。 ５结论 简化等效后 ， 加到一 片拱支架上 ， 施 没有考虑吊 扣体 系的作用。 桥梁施工过程跟踪测试测得的主拱圈主要 ３现场监 测 截 面受力值与计算值的比较 ，虽然 ２ 者不 完全 拱桥 的施工监 控测量就 是根据 所测得 的 吻合， 但在总体上是一致 的。 存在差别的主要 原 数据 ， 对其进行全面的分析 ， 以此作为指导 当前 因在 于： 间结 构体 系， 成结构 的几 何尺寸 、 空 形 施工的主要依据 ，以及对后续拱圈施工状况进 材料连接件等存 在先 天的缺陷 ，导致理论模拟 行预测 ， 保证整个施工过程达到预期 目标 。 拱圈 与实际出入较 大；实桥测试受到的影 响真实性 施工监测的主要 内容有 ： 拱架的挠度、 应力 以及 的因 素 更 多 。 拱轴线的测量 。 ５ 钢筋混凝 土箱 型主拱 圈施 工工序与模 ． １ ３１ ．测点的布置 型试验有很大差别 。 传感器安置 ： 将传感器分别布 置在一 片钢 ５ 分环、 ． ２ 分段施工 拱桥时 ， 先期形 成的拱